Jord Lysimeter Graving for Coupled Hydrologiske, Geokjemiske, og mikrobiologiske undersøkelser

Summary

Denne studien presenterer en utgraving metode for å undersøke undergrunnen hydrologiske, geokjemiske og mikrobiologiske heterogenitet av et jord lysimeter. Den lysimeter simulerer en kunstig hillslope som var utgangspunktet i henhold til homogen tilstand og hadde blitt utsatt for ca. 5000 mm vann over åtte sykluser av vanning i en 18-måneders periode.

Abstract

Studying co-evolution of hydrological and biogeochemical processes in the subsurface of natural landscapes can enhance the understanding of coupled Earth-system processes. Such knowledge is imperative in improving predictions of hydro-biogeochemical cycles, especially under climate change scenarios. We present an experimental method, designed to capture sub-surface heterogeneity of an initially homogeneous soil system. This method is based on destructive sampling of a soil lysimeter designed to simulate a small-scale hillslope. A weighing lysimeter of one cubic meter capacity was divided into sections (voxels) and was excavated layer-by-layer, with sub samples being collected from each voxel. The excavation procedure was aimed at detecting the incipient heterogeneity of the system by focusing on the spatial assessment of hydrological, geochemical, and microbiological properties of the soil. Representative results of a few physicochemical variables tested show the development of heterogeneity. Additional work to test interactions between hydrological, geochemical, and microbiological signatures is planned to interpret the observed patterns. Our study also demonstrates the possibility of carrying out similar excavations in order to observe and quantify different aspects of soil-development under varying environmental conditions and scale.

Introduction

Jord og landskaps dynamikk er formet av et komplekst samspill av fysiske, kjemiske og biologiske prosesser ^1. Vannføring, geokjemiske forvitring og biologisk aktivitet forme den generelle utviklingen av landskapet i et stabilt økosystem ^2,3. Mens overflate endringer er de mest iøynefallende trekk ved landskapet ^4, forståelse kumulative effekter av hydrologiske, geokjemiske og mikrobiologiske prosesser i undergrunnen regionen er avgjørende for å forstå de underliggende kreftene som former et landskap ^2. Fremtidige klima perturbasjonsteknikker scenarier ytterligere forvirre forutsigbarhet og mønster av landskapet evolusjon ^5. Det blir derfor en utfordring å koble småskala prosesser til deres store manifestasjon på landskapet-skala ^6. Tradisjonelle små opplag laboratorieforsøk eller eksperimenter i naturlandskap med ukjente startbetingelser og tidsvariabel tvinge bommer i å fange the iboende heterogenitet av landskapet evolusjon. Også på grunn av sterk ikke-lineær kopling, er det vanskelig å forutsi biogeokjemiske endringer fra hydrologisk modellering i heterogene systemer ^7. Her beskriver vi en ny eksperimentell metode for å grave en fullt kontrollert og overvåket jord hillslope med kjente startbetingelser. Vår utgraving og prøvetaking er rettet mot å fange utvikle heterogenitet av hillslope langs dens lengde og dybde, med mål om å tilby et omfattende datasett for å undersøke hydro-bio-geokjemiske interaksjoner og deres innvirkning på jord dannelsesprosesser.

Hydrologiske systemer som finnes i naturen er langt fra å være statisk i tid, med endringer i hydrologiske reaksjoner som finner sted over et vidt spekter av romlige og tidsmessige skalaer ^3. Den romlige strukturen av flytveier langs landskaper bestemmer prisen, omfang og fordeling av geokjemiske reaksjoner og biologisk kolonisering som driverforvitring, transport og utfelling av oppløste stoffer og sedimenter, og videreutvikling av jordstrukturen. Dermed, som omfatter kunnskap fra pedology, geofysikk og økologi i teorier og eksperimentelle design for å vurdere hydrologiske prosesser og forbedre hydrologiske spådommer har blitt foreslått ^8,9. Liggende evolusjon er også påvirket av undergrunnen biogeokjemiske prosesser i forbindelse med vanndynamikk, elementær migrasjon under jord utvikling, og av mineralogiske transformasjoner forårsaket av reaksjon av mineralske overflater med luft, vann og mikroorganismer ^10. Derfor er det viktig å studere utviklingen av geokjemiske hotspots innenfor et utviklende landskap. I tillegg er det viktig å forholde geokjemiske forvitring mønstre til hydrologisk prosess og mikrobiologiske underskrifter i løpet av begynnende jord Formasjonen for å forstå dynamikken i komplekse landskapet utvikling. De spesifikke prosesser i jord genesis styresav den kombinerte påvirkning av klima, biologisk innganger, lettelse og tid på en bestemt grunnmaterialet. Dette forsøk ble utviklet for å møte heterogeniteter i forvitring av grunnmaterialet styres ved hydrologiske og geokjemiske variasjoner forbundet med avlastnings (inkludert helning og dybde) og den tilhørende variasjon i mikrobiell aktivitet som er drevet av miljø gradienter (dvs. redox-potensial) under betingelser der opphavsmateriale, klima og tid holdes konstant. Med hensyn til mikrobiell aktivitet, jord mikroorganismer er kritiske komponenter og har en stor innvirkning på stabiliteten i landskapet ^11. De spiller en avgjørende rolle i jordstruktur, biogeokjemiske kretsløp av næringsstoffer og plantevekst. Derfor er det nødvendig å forstå betydningen av disse organismene som førere av forvitring, jord genesis, og landskapet formasjonsprosesser, samtidig identifisere de gjensidige virkningene av hydrologiske flytstier og geokjemiske viathering på mikrobiell samfunnsstruktur og mangfold. Dette kan oppnås ved å studere romlig heterogenitet av mikrobiell diversitet fellesskap over en utviklende landskap som hydrologisk og geokjemiske egenskaper er også studert i parallell.

Her presenterer vi en utgravning prosedyre av en jord lysimeter, operasjonelt heter miniLEO, designet for å etterligne de store zero-order bassenget modeller av Landscape Evolution Observatory (LEO) plassert på Biosphere 2 (University of Arizona). Den miniLEO ble utviklet for å identifisere småskala landskapet evolution mønstre som oppstår ved kumulative heterogene hydro-bio-geokjemiske prosesser. Det er en lysimeter 2-m lengde, 0,5-meter i bredde, og 1-m i høyde, og helling på 10 ° (figur 1). I tillegg er veggene i lysimeter isolert og belagt med ikke-biologisk nedbrytbar to-komponent epoksy-grunning og et aggregat fylt alifatisk uretan strøk for å unngå potensiell forurensning eller utlutningav metaller fra lysimeter rammen i jorden. Den lysimeter var fylt med knust basalt stein som ble hentet fra et depositum på sen pleistocen tefra forbundet med Merriam-krateret i Nord-Arizona. Den fylte basalt materiale var identisk til det materialet som brukes i mye større LEO eksperimenter. Mineralsammensetning, partikkelstørrelsesfordeling, og hydrauliske egenskaper er beskrevet av Pangle et al., ^12. Den downslope innsig ansikt ble foret med en perforert plastskjerm (0.002-meter i diameter porer, 14% porøsitet). Systemet er utstyrt med følere som for eksempel vanninnhold og temperatursensorer, to typer vann og eventuelle sensorer, jord-vann samplere, hydrauliske vektbalanse, elektriske konduktivitetssonder, og trykktransduktorer for å bestemme vann bordhøyde. Den lysimeter ble overrislet i 18 måneder før utgraving.

Utgravningen ble grundig i sin tilnærming og var rettet mot å svare på to brede spørsmål: (1) det hydrologisk, geokjemiske og mikrobielle signaturer kan observeres på tvers av lengden og dybden av skråningen i forhold til simulerte regn forhold og (2) hvorvidt forhold og tilbakekoblinger mellom hydro-bio-geokjemiske prosesser som skjer på hillslope kan utledes fra de individuelle signaturer. Ved siden av den eksperimentelle oppsettet og utgraving prosedyre presenterer vi representative data og forslag til hvordan du kan bruke tilsvarende utgraving protokoller for forskere som er interessert i å studere kombinert jordsystemdynamikk og / eller jord utviklingsprosesser.

Protocol

1. Utarbeide en Sampling Matrix for å sikre systematisk og omfattende prøvetaking av Lysimeter Del lysimeter inn voxel av fast lengde, bredde og dybde. Bruke en euklidsk plass koordinatsystem og dele den totale distanse langs hver retning (X, Y og Z) i et tilstrekkelig antall jevnt fordelte intervaller. Tenk forkaste jord nær veggene i lysimeter å unngå grense effekter. MERK: En buffer på 5 cm langs de fire vegger er tatt i bruk i dette eksperiment for å unngå grenseeffekter, samtidig …

Representative Results

Dimensjonene av vokslene sikres innsamling av prøver for hydrologisk, geokjemiske og mikrobiologiske målinger. Utgravningen fremgangsmåten ga 324 kjerner for mikrobiologisk analyse, 972 pXRF datapunkter, 324 geokjemiske prøveposer, 180 KSAT prøver (128 vertikal og 52 horisontalt), og 311 prøver bulk tetthet. Preferansestrømmen Brilliant Blue fargestoff ble også observert til en dybde på 30 cm under overflaten. Et representativt sett av 81 prøver fra en enkelt vertikalsnitt av l…

Discussion

Liggende evolusjon er den kumulative effekten av hydrologiske, geokjemiske og biologiske prosesser ^12. Disse prosessene kontrollere strømning og transport av vann og elementer, og biogeokjemiske reaksjoner i utviklende landskap. Men å fange samspillet krever samtidig presist koordinert eksperimentell design og prøvetaking. I tillegg studerer begynnende landskapet evolusjon er vanskelig i naturlige systemer, med begrensede evner til å identifisere "tids null" forhold. Litteraturen rapporterer en …

Materials

Measuring tape	Any	Any	Preventing cross-contamination of samples  is crucial. Therefore, it is helpful to have multiple putty knives to isolate voxel boundary.
Brilliant Blue dye	Waldeck GmBH &Co	B0770	Rulers can be used to draw grids. The sampling strategy can be modified based on individual experiments.
Soil Corer	AMS	56975	Any commercially manufactured Brilliant Blue dye can be used.
75% Ethanol	Any	Any	A Nikon D90 camera and 50mm lens were used for photography. Any high resolution camera and lens can be used for this purpose.
Spray Bottle	Any	Any	Use of dye and color card is subjective to individual experiments and/or research questions.
Spatula	Any	Any	Gardening gloves may be used if handling of corer becomes tedious.
Gloves	Any	Any	Ensure microbiology samples are kept in ice during sampling and frozen as soon as possible.
KimWipes	KimTech Science	Any	Water can be used to wash soil corer, prior to sanitizing with ethanol.
Sterile Sample bags	Fisher Scientific	Whirl-Pak 4 OZ. 24 OZ	Keep buckets and dustpans handy to facilitate removal of waste soil.
Color Card	Any	Any	The original design of miniLEO has various sensors embedded in the lysimeter. Such sensors may or may not be necessary based on the scope of individual experimental design.
X-ray Fluoresce Spectrophotmeter	XRF, OLYMPUS	DS-2000 Delta XRF
Polypropylene cores	Any	Any
Metal cores	Any	Any
Caps for polypropylene cores	Any	Any
Hammer	Any	Any
Plastic putty knives	Any	Any
Face masks	Any	Any